Экологические аспекты ихтиотоксикологии - Лукьяненко В.И.
Скачать (прямая ссылка):
дирующих рассматриваемые ферменты, поскольку изменчивость регуляторных генов изучена чрезвычайно слабо.
В биологическом плане первостепенный интерес представляет вопрос об адаптационном характере биохимического полиморфизма ферментов рыб.
Не приходится сомневаться в том, что выявленные различия в электрофоретической подвижности отдельных вариантов ферментов определяются изменениями первичной структуры белка, которая находится под жестким генетическим контролем. Появление новых вариантов ферментов и их закрепление в геноме путем отбора полезных возможно лишь при длительных (в течение жизни многих поколений) изменениях температурного или любого другого фактора. Эти измененные условия должны стать "фактом" генетической информации, т. е. привести к изменению последовательности оснований в ДНК, а затем уже в результате транскрипции и трансляции материализоваться продуцированием нового фермента, более адаптированного к изменившимся условиям. Вполне понятно, что приобретение новой генетической информации, детерминирующей новые адаптивные фенотипические признаки, в том числе и появление новых вариантов ферментов (изо- и алло-), — это процесс длительной эволюционной адаптации организма к постоянно колеблющимся факторам внешней среды. Исходя из этих теоретических предпосылок можно было предвидеть адаптивную природу эволюционных преобразований белков, в том числе и адаптивное значение появления новых вариантов того или иного фермента у отдельных видов и их популяций. Между тем в конце 60-х начале 70-х годов адаптивная природа биохимического полиморфизма ферментов была подвергнута критике сторонниками "нейтралистской" гипотезы эволюции [455—457]. По их мнению, эволюция белков совершается путем случайной замены одних аллелей другими вследствие взаимодействия мутационного процесса и дрейфа генов. Роль отбора либо вообще отрицается, либо признается его второстепенное значение. Эта точка зрения встретила обоснованную критику [69—74, 227, 228, 566]. Многочисленные данные по биохимическому полиморфизму ферментов, полученные при обследовании природных популяций, а также ряд экспериментальных данных о роли изоферментов в акклимации и адаптации рыб к температурному фактору не подтверждают основное допущение "нейтралистской" гипотезы о случайной фиксации аллелей и, следовательно, нейтральном характере полиморфизма ферментов.
Как показали целенаправленные исследования В. С. Кирпичникова [69-74] и многих других исследователей, генетические различия по локу-сам ферментов имеют, несомненно, адаптивную природу. Об этом же свидетельствуют и данные по механизмам биохимической адаптации рыб к факторам внешней среды. Между изо- и аллоформами ферментов существуют четко выраженные функциональные различия (различное сродство к субстратам, устойчивость к изменению температуры). Наконец, смена изоферментов в- процессе индивидуального развития и при сезонных перестройках метаболизма также свидетельствует об адаптивной природе полиморфизма ферментов.
Принципиальное значение в этом плане имеют данные по избирательному синтезу отдельных изоферментов, адаптированных (имеющих минимальные К ) к тому или иному температурному диапазону. Это так называемые сезонные изоферменты, обнаруженные в начале 70-х годов П. Хо-чачкой и другими авторами [231, 410, 619] на примере ацетилхолинэсте-разы головного мозга радужной форели. Этот фермент представлен двумя изоферментами, один из которых синтезируется при акклимации к 2°С, а другой — при акклимации к 17°С. При умеренной для этого вида температуре (12°С) синтезируются оба изофермента. Это замечательный пример сезонного включения и выключения синтеза ферментов, адаптированных к конкретному температурному режиму. "Теплый" и "холодный" изоферменты ацетилхолинэстеразы имеют четко выраженные кинетические различия, обусловленные различной степенью сродства фермента к субстрату (рис. 14) — оптимальной для конкретного температурного режима.
Специальное изучение этого вопроса показало, что в разное время года синтезируются различные варианты фермента: один из них, имеющий более высокую электрофоретическую подвижность, образуется при 18°С, а другой, с меньшей электрофоретической подвижностью - при4°С [231]. Величина Км соответствует температурам их синтеза. Иными словами, регуляторные механизмы,управляющие синтезом ацетилхолинэстеразы, обеспечивают мозг форели именно тем вариантом фермента, который необходим для эффективной работы в конкретных температурных условиях того или иного сезона года.
При крайних (зимних или летних) температурах полностью выключается синтез ненужного в данных условиях изофермента, а при умеренных переходных температурах синтезируются оба варианта фермента, увеличивая тем самым резервный адаптационный потенциал. Это один из двух основных путей биохимической адаптации к сезонным изменениям температуры, когда происходит попеременное включение и выключение генов, кодирующих тот или иной вариант фермента.
Другой, по-видимому, более распространенный путь биохимической адаптации к длительным (сезонным) колебаниям температуры заключается в постоянном синтезе набора изоферментов, каждый из которых адаптирован к работе в определенных температурных интервалах. Здесь возможны сезонные сдвиги лишь в количественном соотношении отдельных вариантов фермента. Примером может служить изоцитратдегидрогеназг печени радужной форели, которая представлена у различных особей одного из питомников тремя изоферментами: Аг, Вг и С2 [515]. Обнаружена сезонная изменчивость частоты встречаемости рыб, имевших только изофермент А2 — 30% в зимней выборке и 23% — в весенней выборке. У особей, имевших только изофермент А2, не обнаружено положительной температурной модуляции (рис. 15), а у рыб, имевших все три изофермента, выявлено четко выраженное компенсаторное снижение сродства к ферменту при температурах выше 10°С. По-видимому, особи, имеющие все три изофермента, получают определенные преимущества перед рыбами с одним изоферментом, поскольку активность изоцитратдегидрогеназы у них в летний период меньше зависит от температуры.
